環境溫濕度實時測控裝置的設計與實現

龔燕飛，聶宏林

（1.陜西職業技術學院 陜西 西安　710100；2.陜西中圣環境科技發展有限公司 陜西 西安　710100）

環境溫濕度實時測控裝置的設計與實現

龔燕飛1，聶宏林2

（1.陜西職業技術學院 陜西 西安710100；2.陜西中圣環境科技發展有限公司 陜西 西安710100）

單片機具有低功耗、擴展靈活、使用方便、控制效果好等優點，廣泛應用于各類儀器儀表中，與不同的類型的傳感器相互結合達到檢測功率、電壓、溫度、速度、濕度等物理量的目的。為有效控制實驗室溫濕度，文中研究基于PIC16C73單片機為核心的溫濕度實時測控裝置，詳細介紹溫濕度控制裝置的各組件設計參數及性能，實現實時監測與控制環境溫濕度的目的。同時，本次設計的測控裝置附帶通信接口及多點時間控制線路，能夠廣泛應用于各類溫濕度控制場所。

環境溫濕度；測控裝置；PIC16C73單片機；設計

環境條件下溫度和濕度指標是多數場所的重要參數值，在倉庫管理、工業測量與計量等方面均需保障溫濕度指標達到規定要求。眾所周知，溫度和濕度作為不易保障的指標，因此，研究一種有效、適用的溫濕度測控裝置成為必然選擇。文中基于PIC16C73單片機設計能夠在0～50℃與20～98%RH范圍下可以設定的溫濕度值，并配備通信接口便于與互聯網實施及時通信，確保溫濕度指標滿足設計要求。

1　設計實時測控系統硬件

為滿足對不同測控點的監控和管理工作，本次設計的溫濕度控制系統采用PIC16C73單片機作為控制核心，結合傳感器、通訊等技術實現有效檢測和控制溫濕度的目的。系統總體結構如圖1所示。

PIC16C73單片機是Microchip公司生產的高性能微控制器，與其它價格相當的控制器比較，主要包括高性能存儲器、復位電路、I/O接口等部分，該控制器只設置35條單字節指令，將所有跳轉周期為2周期指令的去除，其它設置均為單調期指令。PIC16C73單片機芯片集成8位算數邏輯單元、192格數據寄存器、22個I/O口、2個串行口等，并設有時鐘、看門狗定時器等裝置。PIC16C73外接溫濕度采樣電路和電氣驅動電路，達到合理控制環境溫濕度的目的。

圖1　溫濕度控制系統總體結構圖

1.1設置溫度檢測電路

文中設計的溫濕度測控儀器采用數字溫度傳感器DSI820作為溫度檢測電路的器件，這個器件只有電源（VDD）、數據線（DQ）、地線（GND）3個引腳，共同使用一條數據線完成通信操作，無需另設繁瑣的外部元件，溫濕度檢測系統內部結構如圖1。通過I/O線實現通信，DS1820電源電壓使用寄生的方法達到供電的效果，只需將VDD、GND端進行接地即可運行。本次設計的測控系統電路檢測溫度和精度分別為：-55～+125℃、0.5℃，本次設計使用三塊DS1820完成對環境溫度檢測，這種設計保持溫度處于恒定狀態。

圖2　溫濕度度傳感器內部結構框圖

獲得溫度數據信息后，采用PIC16C73（RA2腳）發出1MS復位脈沖，進行復位操作后由PIC16C73發布相關的回應脈沖，系統接收回應脈沖后讀出ROM命令，依次讀取三個DS1820序號。完成溫度轉換之后，單片機通過RA2腳發出一系列存儲指令，達到轉換或讀取環境溫度信息的效果。

1.2設計合理的濕度檢測電路

環境溫濕度測控系統采用電容式溫敏傳感器當做檢測器件，設計者應把電容值轉變為電壓或頻率，從而采集恰當合理的數據信息。使用EL7556完成轉換操作，EL7556包括積分電路、頻率轉換電路等部分組成，積分電路與R1、R2用來生產相應的脈沖信號通過5腳傳送至8腳。借助R2能夠及時調整脈沖信號頻率，確保濕度傳感器線性、靈敏度處在最佳狀態。本次研究采用MXS型電容式濕度傳感器作為振蕩電容，將濕度轉換成頻率。濕度傳感器僅保障傳感探頭的進度，具體使用時，綜合精度不單與濕度傳感器自身元件有關，也與選擇的外圍電路器件有關。為確保與濕度系數相互匹配，R1應取1%的進度，最大溫票不得大于100*10-6。當RH= 55%，TA=+25°時，輸出方波頻率與相對濕度數據如表1。

表1　相對濕度與輸出頻率對照

1.3設計鍵盤電路

環境溫濕度測控裝置的鍵盤電路共有16個按鍵，0～9按鍵代表10個數字鍵，A和B字母分別代表設定功能選擇鍵、完成確定鍵，C字母表示顯示選擇鍵，D～F實現處理語音、通信等各項功能，采用4位LED動態顯示溫濕度。

1.4設置合理的定時及控制驅動電路

系統設計上電復位電路、手動復位電路，便于系統在上電初始化狀態處于確定的狀態運行。定時具有提前預熱儀器、定時語音等功能，時鐘頻率設置為32.768 kHz，系統設定的頻率確保單片機處在最小功耗下轉化成分頻、定時程序進行編寫。采用看門狗電路作為定時基準，定時查詢單片機運行狀態，如果發現異常即可延時重啟單片機，確保系統安全的運行。本設計中采用MAX813L芯片作為硬件看門狗，其一段與單片機復位端相連提供相應的復位信號，看門狗電路如圖3所示.

圖3　硬件看門狗電路簡圖

測控溫濕度系統設定控制驅動電路具有保護相關儀器的功能，各電磁閥導通應設置合理的時間間隔，本次設計時間間隔為2 min。推薦方式如下：6：00將電磁閥1導通，與穩壓電源相互連接。6:02后每隔2 min接通一個相對應的設備。如此操作，在8:00時確保部分需要預熱的儀器設備處于最佳運行狀態，在一定程度上提升工作效率。電器驅動電路控制設備主要由風機、加濕器、空調機等部分組成，可借助過零型固態繼電器進行控制。設計時采用PIC16C73單片機RA3作為控制口，可以外擴兩片PCF8574作為備用設備。

2　測控裝置軟件系統設計要點

軟件系統主要包括主程序、為適度檢測程序、控制驅動程序等部分，主程序采用循環工作方式，實現鍵盤掃描、檢測環境溫濕度、循環調用等功能。

2.1設計系統主程序

主程序是整個溫濕度測控裝置的的核心器件，當系統上電后設定定時器和中斷處理初始化操作。進行初始化操作，針對系統設計的溫濕度、查看除去定時器之外所有操作中斷禁止，同時斷開與各個電器之間的電源。初始化操作完成后，系統能夠自行恢復至正常工作狀態，并開展檢測溫濕度、定時處理等操作，具體工作流程如圖4。

圖4　軟件系統主程序框圖

2.2設置恰當的處理子程序

溫濕度測控裝置采用DS1820為溫度傳感器，這種傳感器軟件編寫較為簡單，其輸入單片機系統的的信號約為9個數字信號，不需要進行轉換。必須注意，如果軟單片機向溫度傳感器發布的復位脈沖應大于1 ms，確保軟件系統能夠正常工作。出現上述情況與傳感器設定的寫時間有著密切的關系，使用軟件實施寫0后開始寫1前，必須設定800低脈沖，確保不會出現數字寫錯誤的情況。由于單片機設置A/D轉換器，因此，參考電壓設置為器件正電源電壓，通過RA0引腳與模擬電壓進行連接，從而轉換為相應的數字信號。測控裝置中A/D模塊一共設置控制寄存器0、轉換結果寄存器和控制寄存器1 3個寄存器，其中，A/D控制寄存器0主要控制A/D模塊的運行情況。如果寄存器設定的上電復位值為0H，實際讀取操作時也0，無法完成寫操作，其它位能夠讀寫。下文采用RA0通道為研究對象，A/D轉換程序如圖5。

圖5　RA0通道A/D部分轉換程序

3　結束語

總之，文中基于PIC16C73單片機設計的溫濕度實時測控裝置具有最佳的應用價值，本次設計采用DS1820傳感器實現溫度采樣工作，便于集中控制多個地點溫度采樣數據，配備RS-232接口便于上位機進行連接，實現合理監測、控制溫濕度的目的。

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The design and implementation of a real-time environmental temperature and humidity measurement and control device

GONG Yan-fei1，NIE Hong-lin2
（1.Shaanxi Vocational&Technical College，Xi’an 710100，China；2.Shaanxi Zhongsheng Environmental Technology Development Co.，Ltd.，Xi’an 710100，China）

Single chip microcomputer with low power consumption，flexible extension，easy to use and control effect is good wait for an advantage，widely used in all kinds of instruments and meters，mutual combination of different types of sensors to detect the power，voltage，temperature，speed，humidity，etc.The purpose of the physical quantity.To effectively control laboratory temperature and humidity，this paper studies real-time measurement and control device based on PIC16C73 singlechip microcomputer as the core temperature and humidity，temperature and humidity control device are described in detail the components of design parameters and performance，the purpose of real-time monitoring and controlling environmental temperature and humidity.At the same time，the design of the measurement device with the control circuit，communication interface and more time can be widely used in all kinds of temperature and humidity control.

environmental temperature and humidity；measurement and control device；PIC16C73 microcontroller；design

TN99

A

1674-6236（2016）14-0130-03

2015-05-06稿件編號：201505057

龔燕飛（1983—），女，吉林四平人，碩士，助教。研究方向：環境污染，農林生物。